煤粉近壁燃燒模型構(gòu)建及液排渣式燃燒器的特性研究.pdf

1、燃油窯爐面臨油價(jià)大幅上漲、油料供應(yīng)緊張的嚴(yán)峻態(tài)勢(shì)，另一方面，大批中小型燃煤窯爐由于技術(shù)落后，提高效率、控制粉塵、降低NOx及SO2等污染物排放的需求極為迫切，我國(guó)眾多的工業(yè)窯爐急需一種高效、低污染又能節(jié)省油氣資源的潔凈煤技術(shù)。在進(jìn)入“十一五”之際，我國(guó)政府提出能源可持續(xù)戰(zhàn)略集中體現(xiàn)在“節(jié)能優(yōu)先、保障供給、結(jié)構(gòu)多元、環(huán)境友好”，開展清潔煤技術(shù)以及“煤代油”技術(shù)的研究與開發(fā)，因而本文的研究具有重要的應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。 基于液排渣燃

2、燒方式提出的“煤粉低塵燃燒技術(shù)”在提高燃燒效率、降低粉塵排放、控制硫化物和氮氧化物排放方面具有獨(dú)特的設(shè)計(jì)構(gòu)思和燃燒特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)“九五”國(guó)家攻關(guān)項(xiàng)目的支持，已經(jīng)完成了200kg/h燃燒器的冷態(tài)實(shí)驗(yàn)和一部分熱態(tài)試驗(yàn)，體現(xiàn)了良好的開發(fā)價(jià)值和應(yīng)用前景，但在燃燒器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、保證液排渣特性的制約條件、熱效率提高、多級(jí)燃燒配置等多方面還存在許多未解決問(wèn)題，需要對(duì)于燃燒器有更深入和系統(tǒng)的研究。由于煤粉燃燒器的熱態(tài)試驗(yàn)投資大而且高溫燃燒場(chǎng)的觀察和測(cè)試手段

3、復(fù)雜、困難大，單純依靠熱態(tài)試驗(yàn)難以對(duì)新型燃燒技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)和完善提出合理有效的措施，因而本研究采用以數(shù)值模擬為主的手段對(duì)液排渣燃燒器內(nèi)相關(guān)理論模型和燃燒特性進(jìn)行研究。 本文首先采用STAR-CD軟件為計(jì)算平臺(tái)，對(duì)液排渣燃燒器內(nèi)的燃燒特性進(jìn)行數(shù)值模擬。在合理選擇氣相流動(dòng)、固相流動(dòng)、煤燃燒以及NOx生成等模型的同時(shí)，通過(guò)對(duì)壁面條件的近似處理，探討了煤粉在壁面處的運(yùn)動(dòng)情況，并以此為基礎(chǔ)考察了燃燒場(chǎng)的兩相流動(dòng)特性，模擬了燃燒器內(nèi)煤粉的

4、燃燒過(guò)程以及各物理量的分布。在與實(shí)驗(yàn)比較的基礎(chǔ)上，對(duì)燃燒器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，為液排渣煤粉燃燒模型的開發(fā)和完善奠定基礎(chǔ)。 根據(jù)CFD軟件計(jì)算結(jié)果對(duì)燃燒器進(jìn)行了改進(jìn)，進(jìn)行新一代燃燒器的熱態(tài)試驗(yàn)研究，測(cè)量了不同化學(xué)計(jì)量比下的溫度、濃度分布，特別是得出了灰渣捕集率和飛灰濃度排放的定量結(jié)果，為低塵燃燒器的開發(fā)和數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建提供了有用的熱態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。更為重要的是從計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)現(xiàn)象的分析比較中發(fā)現(xiàn)常規(guī)的煤粉計(jì)算程序不能正確地模擬和解析液排渣

5、情況下灰渣的沉積、流動(dòng)以及顆粒的附壁燃燒等近壁特性，存在計(jì)算功能上的明顯不足。針對(duì)現(xiàn)有煤粉計(jì)算程序的缺陷，本文對(duì)燃燒器內(nèi)的顆粒近壁燃燒現(xiàn)象建立了研究理論和數(shù)值模型，并將此模型引入煤粉燃燒的計(jì)算實(shí)踐，建立了具有煤粉空間燃燒和近壁、附壁燃燒多功能的計(jì)算框架，自主編制和開發(fā)了計(jì)算軟件。首先將學(xué)者們?cè)谘芯侩姀S鍋爐積灰、結(jié)渣過(guò)程而開發(fā)的灰沉積模型進(jìn)行分析和選擇，經(jīng)過(guò)總結(jié)得出的模型計(jì)算式能分別對(duì)煤中揮發(fā)分、焦炭、灰分的沉積分額進(jìn)行定量化模擬；在此基

6、礎(chǔ)上，分析了同一計(jì)算組內(nèi)顆粒由于沉積作用不斷從空間燃燒狀態(tài)脫離、進(jìn)入附壁燃燒狀態(tài)的現(xiàn)象，提出了“群分化”的計(jì)算思想，根據(jù)不同的沉積位置和時(shí)間將初始的計(jì)算組分化為一個(gè)“空間組”和多個(gè)“沉積組”；對(duì)分化后的每個(gè)沉積組，結(jié)合傳熱學(xué)、材料學(xué)和燃燒學(xué)原理，構(gòu)建了單組顆粒的壁上燃燒模型，通過(guò)對(duì)顆粒的有效直徑、有效表面積及有效溫度的計(jì)算，求出附壁顆粒中焦炭的燃燒速率和揮發(fā)分的釋放速率，進(jìn)而得出顆粒附壁燃燒所產(chǎn)生的動(dòng)量、質(zhì)量以及能量源項(xiàng)，代入氣相方程中

7、進(jìn)行迭代；考慮到液渣層的存在會(huì)增加通過(guò)壁面的傳熱熱阻，對(duì)燃燒狀況有很重要的影響，同時(shí)沉積組顆粒的速度也與液渣的流動(dòng)速度有關(guān)，構(gòu)建了二維軸對(duì)稱的液渣流動(dòng)模型，總結(jié)出幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)液渣流動(dòng)特性進(jìn)行了分析，推導(dǎo)出渣膜厚度和流動(dòng)速度的計(jì)算式，并通過(guò)附加傳熱熱阻的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了對(duì)氣相能量方程的壁面?zhèn)鳠釛l件的自動(dòng)修正。本章最后將構(gòu)建的新模型植入到總體的計(jì)算框架中，對(duì)計(jì)算示例內(nèi)的顆粒沉積、顆粒附壁燃燒、液渣流動(dòng)及灰渣捕集特性進(jìn)行模擬，顯示了較強(qiáng)的計(jì)算功

8、能。 針對(duì)附壁燃燒、焦炭還原氣化反應(yīng)、顆粒燃燒狀態(tài)(尺寸變化)等因素的影響，本文的第六章對(duì)編制的WBSF-PCC(WallBurningandSlagFlowinPulverizedCoalCombustion)程序進(jìn)行了模型精度的討論，然后將計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)際燃燒器內(nèi)的溫度、濃度、顆粒燃盡率及捕渣率等試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，所得結(jié)果的模擬精度顯著高于商業(yè)軟件。 最后，作為煤粉低塵燃燒技術(shù)應(yīng)用的拓展，本文提出將煤粉低塵燃燒技術(shù)和混

9、燒技術(shù)相結(jié)合的思路，并利用成功開發(fā)的燃燒計(jì)算程序?qū)?shí)際燃燒器內(nèi)煤和木粉的混燒過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明：適量木粉的添加可以提高燃燒初始段的溫度，有利于充分利用燃燒器的前部空間；可以加大燃燒初始階段的反應(yīng)速度，改善煤粉的著火性能，提高煤粉的空間燃盡及附壁燃盡效果，有利于顆粒在有限的空間里進(jìn)行充分的燃燒及燃燒裝置的小型化；有利于在燃燒器開始段形成連續(xù)的渣膜，保持燃燒工況的穩(wěn)定。結(jié)論從理論角度證明了將混燒技術(shù)和低塵燃燒技術(shù)相結(jié)合并用于工業(yè)窯